Несмотря на разнообразие размеров, ниш и форм, акулы имеют геометрические размеры, что указывает на возможные фундаментальные ограничения эволюции. Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Общеизвестно, что по мере роста любого трёхмерного объекта, от платоновой сферы до клетки или слона, во всех направлениях, его общая площадь поверхности будет увеличиваться медленнее, чем занимаемое им пространство (его объём). Если геометрия и форма объекта остаются неизменными по мере его увеличения, то площадь его поверхности будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и его объём в степени две трети. Веками биологи задавались вопросом, следуют ли формы жизни этому закону масштабирования двух третей, несмотря на их поразительное разнообразие форм и размеров. Если это так, то это предполагает существование фундаментальных ограничений, лежащих в основе эволюции и способных влиять на взаимодействие жизни с окружающим миром.
Недавно исследователи использовали компьютерную томографию и цифровые инструменты для расчета площади поверхности и объема древнего и разнообразного семейства животных: акул. Анализ группы, опубликованный в журнале Royal Society Open Science, включал более 50 видов акул и представляет собой одно из лучших на сегодняшний день эмпирических доказательств существования некоего устойчивого правила масштабирования в зоологии. Как и в случае со сферой, площадь поверхности и масса тела акул действительно подчиняются закону масштабирования в две трети, обнаружили исследователи. Если это справедливо и для других групп животных, это, вероятно, отражает базовые правила теплообмена, метаболизма или развития, которые сдерживают эволюцию.
По словам Джоэла Гейфорда, биолога из Университета Джеймса Кука в Австралии, возглавлявшего новое исследование, если вы ищете группу животных для изучения биологического масштабирования, то лучшего варианта, чем акулы, найти сложно. Они имеют общую форму, но бывают разных размеров, занимают множество ниш и имеют огромные вариации формы тела. В своём исследовании морфологической эволюции акул Гейфорд заметил, по-видимому, взаимосвязи между масштабированием частей их тела, например, размеров плавников. Это заставило его задуматься, существуют ли более фундаментальные правила, ограничивающие формы, которые могут принимать акулы.
Однако ему не удалось найти высококачественных исследований масштабирования у крупных животных. Исследования на отдельных клетках выявили множество отклонений от ожидаемых правил; редкие исследования на более мелких животных, таких как насекомые и змеи, обнаружили некоторые доказательства масштабирования на две трети. Но лишь немногие исследования включали крупных животных, и большинство из них были проведены десятилетия назад. Кроме того, Гейфорд обнаружил, что существующие данные о масштабировании животных были несколько неточны. Из-за технологических ограничений XIX и XX веков попытки точно измерить площадь поверхности и объём животных были «подвержены ошибкам и, кроме того, несколько сомнительны с этической точки зрения», сказал он.
Джоэл Гейфорд (на фото с акулой-гоблином) создал 3D-модели более 50 видов акул различных размеров и форм, чтобы выяснить, имеют ли они геометрическую масштабность.
Он был не единственным, кто так думал. «Одно из главных ограничений — особенно если вы читали эти ранние биологические исследования — это вопрос о том, как измерить площадь поверхности коровы?» — сказал Брайан Энквист, биолог-эволюционист из Университета Аризоны, не принимавший участия в исследовании.
До недавнего времени возможности были ограничены. Исследователи могли провести мерным колесом по шкуре животного и отметить единицы измерения мелом, или снять шкуру и вручную измерить площадь её поверхности. Чтобы вычислить объём, они могли опустить животное в ванну с водой и посмотреть, сколько жидкости оно вытеснило; некоторые пошли ещё дальше и налили воду прямо в свежевыловленные шкуры.
Команда Гейфорда располагала значительно более продвинутыми технологиями. Они измерили площадь поверхности и объем 54 различных видов акул, от девятидюймовой карликовой акулы, одной из самых маленьких в мире, до китовой акулы, самой большой ныне живущей рыбы. Но вместо того, чтобы снимать с них шкуру, они провели компьютерную томографию высококачественных музейных образцов, чтобы создать подробные виртуальные реконструкции. Для тех видов, которые были слишком большими, чтобы поместиться в компьютерный томограф, они использовали программное обеспечение для фотограмметрии, которое сшивает множество фотографий поверхности объекта для создания 3D-модели. (В одном случае объектом была 37-футовая китовая акула, обитающая в Аквариуме Джорджии.) Затем они загрузили модели в программное обеспечение для 3D-обработки под названием Blender, которое изначально было разработано для рендеринга объектов в видеоиграх. Чтобы вычислить площадь поверхности акулы, Гейфорду нужно было просто нажать кнопку.
Помимо того, что набор данных отражает огромный диапазон размеров животных, он также представляет собой набор акул, занимающих самые разные экологические ниши: от обитателей рифов до донных хищников и хищников открытого океана. По словам Гейфорда, они обладают «множеством различных уникальных морфологий», включая несколько видов акул-молотов с продолговатым лицом; обыкновенную лисью акулу, хвостовой плавник которой почти такой же длины, как и остальное тело; и плоскую и волнистую воббегонга, а также более привычных акул акульей формы. И хотя большинство акул холоднокровные, или эктотермные, некоторые виды (включая больших белых акул) могут вырабатывать собственное тепло. Команда Гейфорда включила в набор данных одну из этих регионально эндотермных акул — лисью акулу.
Несмотря на такое разнообразие размеров, форм, образа жизни и метаболизма, акулы практически идеально соответствуют правилу масштабирования «две трети». «Они показали, что здесь не так много различий, и это действительно здорово», — сказал Энквист.
Анализ предполагает, что это правило масштабирования двух третей может быть универсальным для животных. Для большей уверенности необходимы дополнительные исследования других групп животных, включая наземных животных, которые могут иметь сложную внешнюю геометрию, такую как перья и шерсть, а также теплокровных (эндотермных) животных, таких как млекопитающие и птицы. С этой целью команда Гейфорда собирает дополнительные данные; он надеется, что другие исследователи дополнительно проверят биологическое масштабирование на изучаемых ими животных.
Акулы — невероятно древняя и разнообразная группа видов, охватывающая множество размеров, форм, мест обитания и образов жизни, включая (сверху вниз) китовую акулу, акулу-молот, кистевого воббегонга и зебровую акулу.
Акулы — невероятно древняя и разнообразная группа видов, охватывающая множество размеров, форм, мест обитания и образов жизни, включая (по часовой стрелке от верхнего левого угла) китовую акулу, зубчатую акулу-молот, зебровую акулу и кистевого воббегонга.
Однако измерения площади поверхности всё ещё можно считать неполными, поскольку они учитывают только внешние особенности акул. Хотя такие структуры, как жабры, скрыты внутри тел животных, их поверхности на самом деле являются внешними с топологической точки зрения, сказал Карл Никлас, почётный профессор биомеханики Корнеллского университета. Если бы исследователи проанализировали также жабры акул, Никлас предположил, что они обнаружили бы масштабное соотношение, близкое к трём четвертям. Тем не менее, согласованность показателей у многих разных видов акул говорит о том, что это правило не случайно. «Мы должны рассматривать это как своего рода отражение адаптивной эволюции», — сказал Никлас.
Учёные не уверены, какие фундаментальные механизмы могут ограничивать размеры и форму акул и других животных, но у них есть гипотезы. Одна из них связана с распределением тканей на ранних стадиях роста. Чтобы наглядно представить это, представьте развивающееся животное в виде глиняного шара. «Существует лишь ограниченное количество способов растянуть глину, чтобы придать ей различные формы без энергетических затрат», — сказал Гейфорд. В этом случае масштабное соотношение имеет значение для эмбриона и в дальнейшем ограничивает потенциальные формы, которые может принять взрослый организм.
С другой стороны, это соотношение может отражать фундаментальное ограничение на теплообмен. У животных, которые могут поглощать внешнее тепло и генерировать его посредством метаболизма или движения, принцип масштабирования, при котором площадь поверхности растет медленнее, чем объем, создает изолирующий эффект при переходе от мелких видов к более крупным. «Отношение площади поверхности к объему действительно важно для теплообмена», — сказал Ван Сэвидж, биолог-вычислитель из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. Это может объяснить, почему арктические виды, как правило, крупные и громоздкие, в то время как те, что живут в тропическом климате, могут быть стройными: большее тело труднее охладить, чем меньшее. Это относится даже к эктотермным животным, которым может потребоваться удерживать тепло при перемещении между теплыми и прохладными средами — например, когда китовые акулы ныряют в более глубокие, холодные воды.
Исследование проливает свет на математические пределы эволюции и может помочь выявить фундаментальные механизмы, ограничивающие топологию жизни. Однако расчёт масштаба организмов имеет и практическое значение. Оно может помочь ветеринарам определить, какую дозу анестезии следует вводить, например, кошке, а какую — догу, или определить дозировку препаратов для младенцев и взрослых.
По мнению Гейфорда, это подчёркивает необходимость продолжения эмпирических исследований биологического масштабирования. «Очень важно, чтобы люди действительно проверяли эти законы», — сказал он. «Потому что часто их просто принимают за истинные».
Источник: www.quantamagazine.org
